Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 131
Текст из файла (страница 131)
Радиус каждой сферы грубо эквивалентен ван-дер-ваальсову радиусу боковой ((епи. В качестве независимых переменных выбраны Зл декартовых коорйинат центров сфер (л-число аминокнслотных остатков в белке). На свободу остатков в такой буснничной (без подвесок) модели наложена 485 система ограничений. Остатки могут подходить друг к другу только л„ определенного расстояния.
Между ними имеются взаимодействия, новям шающие или понижающие энергию. Гидрофобные остатки должны нах диться не более чем на Б(А) от центра тяжести белка, где 8 — функц„„ размера молекулы н гидрофобного ядра. Метод был использован для олв. сания свертывания белковых цепей трипсинового ннгнбитора (58 осгатков) и рубредоксина (54 остатка). При среднем расстоянии остатка от центр, тяжести первого белка 10,3 А и второго 9,7 А средиестатистпчесхве отклонения опытных и рассчитанных структур составили сооответственно 4,7 — 6,0 и 4,0 — 6,0 А. Авторы отметили.
что для белков большей молекз лярной массы расчет приводит к менее удовлетворительным резуль татам. Во многих исследованиях такого плана к анализу упрощенных моделек привлекаются разные эмпирические соотношения, кристаллографическяе данные, результаты статистического анализа и гомологи. В первом комплексном подходе к описанию свертывания белка С. Танаки и Г Шерагя [33 — 36] рассмотрение модели полипептидной цепи сочетается с данныма статистического анализа белков известнои структуры.
Авторы предполагают, что процесс образования конформации проходит через три последовательных этапа. На первом этапе (А) полностью развернутая белковая цепь складывается за счет внутриостаточных и ближних межостаточных взаимодействий в упорядоченные вторичные струкутры. Затем (этап В) под влиянием средних взаимодействий между а-спиральными и ~3-структурными сегментами зарождаются небольшие контактные области Пря этом образованные на первом этапе регулярные формы могут претерпевать изменения. На третьем этапе (С) происходит ассоциация контактных областей этапа. В за счет дальних взаимодействий и образование нативной конформации белка. Начальная форма полипептидной цепи с участками вторичной структуры получена Танакой и Шерагой с помощью эмпирических правил я механико-статистической обработки одноннгчатой модели Изннга.
Амлнокислотные остатки представлены в виде сфер основной цепи (-НХ вЂ” С НСО-) и сфер боковых цепей определенных ван-дер-ваальсовых радиусов Из анализа 25 белков известной структуры найдены частоты контактов между всеми парами остатков (1 и )) и для каждого типа пар определены константы равновесия Кп и свободная энергия Гиббса ЛСл образования контакта между остатками х и ! Процедура поиска конформации белка состоит в следующем. На стадии А цепь представляется порядком символов л, )) и с, характеризующих области правой а-спирали, ))-структуры л клубка. Остатки, идентифицированные с помощью предсказательного алгоритма, помечаются только одним символом (й или ))), а неотнесенные остатки — тремя (Ь, )5, с) для свертывания цепи используется процедура Монте Карло при последовательном введении средних (этап В) н дальних (этап С) взаимодействий и произвольном варьировании значений углов Ф зу в выбранных областях л и )5 у отнесенных остатков н символов )ь ~), с з прн каждом символе — значений углов л1, у у неотнесенных на этапе А остатков По ходу счета через определенные промежутки времени отбирались конфорл1ации, в которых отсутствует перекрывание жестких сфер 486 ценивалась энергия всех взаимодействий.
Конформация оставлялась следующего счета, если ее энергия оказывалась меньше энергии дшествующей конформации. Так продолжалось до тех пор, пока энерданного варианта не понижалась при последующих 10000 итерациях. етод Танаки и Шераги был использован для предсказания структуры чьего панкреатического трипсинового ингибитора. Первоначальная нтификация конформационных состояний всех остатков с помощью волов 1ь [3, с и, следовательно, определение ограниченной области возых значений д, ~~ выполнены не на основе предсказательных алгорит, а рентгеноструктурных данных.
Конформации белка на разных стапроцедуры Монте Карло представлялись в виде контактных треьников, отражающих по расстояниям между атомами С» взаимодейстмежду всеми парами остатков. Сопоставление контактных треугольов [карт Кунтца) опытной структуры и конечной теоретической конмации белка обнаруживает существенные расхождения: отсутствует контактов, присущих реальной молекуле, и в то же время имеется го лишних контактов. Неудовлетворительное совпадение обнаружися при грубом, почти качественном способе сравнения, даже когда овная часть информации о структуре небольшого белка, а именно, нтификация конформационных состояний всех остатков, была взята из пернмента и использована в расчете первого этапа.
Помимо расчетной дели, совершенно не отражающей конформационную специфику белкоцепи, метод Танаки и Шераги ограничен также возможностями предзательных алгоритмов. Особенно настораживает то обстоятельство„ при анализе белка с неизвестной структурой выбранные на этапе А формационные состояния остатков далее не изменяются. Поэтому ущенные при отнесении с помощью эмпирических корреляций ошибки они неизбежны и велики) в последующем расчете [этапы В и С) не иаруживаются. При использовании процедуры Монте Карло отсутствуют объективные итерии отбора конформаций. Внушитеяьное, на первый взгляд, ичество в 10000 структурных вариантов составляет лишь незначиьную часть возможного конформационного набора. Наконец, как и в одах Левитта и Уоршела [29-31[, Кунтца и соавт.
[32), аппроксимация ковой цепи бусиничной моделью, более простой, чем даже полиэтиовая цепь, продиктована отнюдь не физическими соображениями, а бствами расчета. Замена боковых цепей сферами лишает их какихо конформационных особенностей. В самом деле, трудно представить, сферы могут передать стереохимию, например, вытянутых лабильных ковых цепей Агя и 1.уз с их гндрофобными н полярными участками, еющими четыре степени свободы (т~-)[„), или плоских боковых цепей , Туг и Р[зе. Кроме того, неудовлетворителен учет межостаточных имодействий, потенциалы которых выбраны на основе незначительного периментального материала. В работе Д. Габена и соавт.[37], близкой только что рассмотренной боте, исходные нулевые приближеняя взяты уже не из эксперимента, а еделены на основе эмпирических корреляций — так называемых тетранонапептидных предсказательных алгоритмов, точность которых 487 незначительна [38, 39].
В данном случае эти алгоритмы, однако, бзя привлечены не к одной последовательности, а к серии родствени, ых последовательностей — 14 гомологам нейротоксина 11, трехмерные стр, руктуры которых предполагались идентичными. Из 57 рассмотренных в белк„ остатков шесть были отнесены к а-спиралям, четыре — к [5-структурам „ 16 — к ~)-изгибам. Помимо того, что такое отнесение далеко от реаль„о. ной структуры, следует отметить еще два существенных, более того, решаю щих для метода Габела и совет. обстоятельства, на которых авторы ие акцентируют внимание. Во-первых, сделанные предсказания 26 остатков нейротоксина 11 почти все ошибочны и ни на одном из последующв„ этапов [всего метод включает десять этапов) не обнаруживаются и следовательно, входят в конечную структуру.
Во-вторых, неоправданным является приписывание основной цепи идентифицированных остатков усредненных значений углов д, у, полученных из частот их появлений в низкоэнергетических областях карты Рамачандрана. Углы аз, ~~ в и- спиральной и особенно [5-структурной областях имеют разброс в пределах многих десятков, а часто более сотни градусов. Их конкретные значения определяются не столько природой остатка, сколько уникальной у каждого белка последовательностью аминокислот, т.е. взаимодействиями данного остатка с соседними по цепи и сближенными в глобуле остатками Приписывание остаткам средних значений двугранных углов в макро- молекуле лишено практического смысла, поскольку последующая минимизация энергии не обеспечивает спуск к глобальному минимуму, а лишь приводит к варьированию вблизи локального минимума.
Отмеченные два обстоятельства предрешают конечный результат и делают излишним рассмотрение других этапов, на которых также допускается ряд неконтролируемых предположений. Неудивительно поэтому, что ни один из пяти предложенных вариантов конформаций нейротоксина П ис отвечает опытным данным даже самого общего характера. В конце 1970-х и в 1980-е годы исследования подобного плана [40-461 ие претерпели существенных изменений и не внесли новых идей а решение проблемы свертывания и структурной организации нативного белка. Для иллюстрации рассмотрим кратко результаты анализа процесса сборки белковой цепи бычьего панкреатического трипсинового ингибитора, полученные С.Миязавой и Р.
Джерниганом [46). Авторы представили белковую последовательность в виде цепочки жестких сфер, совмещенных с атомами С" и Ся аминокислотных остатков. Конформационными параметрами считались двугранные углы ф, у, которым разрешалось принимать дискретные значения через каждые 10'. Межостаточные взаимо.
действия учитывались исключительно между теми парами остатков, которые в кристаллической структуре трипсинового ингибитора образуют близкие контакты, При оценке взаимодействия между двумя остатками энергия принималась равной — 2,2 ккал/моль, если расстояние межа) соответствующими атомами Са в нативной конформации белка находилось в интервале 2,4 — 6,5 А; когда расстояние было < 2,4 А, энергия считаласв бесконечно большой, а > 6,5 А — равной нулю. Следовательно, притя. жение друг к другу могли испытывать только те остатки (жесткие сферга) атомы С" которых сближены в реальной трехмерной структуре. Длх порядочной генерации различных конформаций, располагающихся у нативным и денатурированным состояниями, была использована цедура Монте Карло.
Процесс моделирования цепи оценивался по днестатистическим величинам, отражающим степень упаковки осительно шкалы конформационной энергии. Всего было получено 000 промежуточных состояний (из З~а в принципе возможных), не ержащих перекрывания сфер. Авторы [46] проследили путь перехода дельной цепи от полностью развернутого состояния к состоянию, рнутому подобно нативной структуре белка, и пришли к выводу, что цесс начинается с образования натнвно подобных контактов СД...СД в асти ]]-изгиба (остатки 25-28) и а-спирали (48-56).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
